Identifikation und Simulation instationärer Übertragung der Windturbulenz im Zeitbereich

Clobes, Mathias

Für abgespannte Maste ist der Wind die bemessungsrelevante und einzige regelmäßig wiederkehrende dynamische Einwirkung. Um Fragestellungen der Ermüdungssicherheit zuverlässig beantworten zu können, ist eine dynamische Analyse des Tragverhaltens unter böigem Wind erforderlich. Übliche Frequenzbereichsmodelle auf Basis von Admittanzfunktionen erfordern eine Linearisierung dieses nichtlinearen Last-Verformungsverhaltens um einen Arbeitspunkt. Da auch zeitlich zurückliegende Windgeschwindigkeiten die momentane Windkraft beeinflussen, ist die aerodynamische Übertragung frequenzabhängig. Diese Frequenzabhängigkeit ist mit dem Begriff der instationären Übertragung verknüpft. Quasistationäre Ansätze zur Beschreibung der Windlasten für den Zeitbereich erlauben zwar eine Berücksichtigung nichtlinearer Effekte, sind jedoch nur bei hohen Windgeschwindigkeiten zutreffend. In dieser Arbeit wird über Naturmessungen an einem 344 m hohen abgespannten Masten und deren Auswertung berichtet. Anhand der Messungen von Windgeschwindigkeit und - richtung bis in große Höhen kann das existierende Ingenieurmodell zur Beschreibung des natürlichen Windfeldes verifiziert und auf Basis simultan durchgeführter Windgeschwindigkeits- und Kraftmessungen am partiell verkleideten Mast ein instationäres Windlastmodell für die Böenwindlasten auf Basis linearer, zeitinvarianter Übertragungssysteme identifiziert werden. Eine Approximation der identifizierten aerodynamischen Admittanzen im Frequenzbereich erfolgt mittels rationaler Funktionen, deren Real- und Imaginärteile Paare der Hilbert- Transformation sind. Deren Rücktransformation in den Zeitbereich liefert ein Modell der kausalen instationären Übertragung auf der Basis von Impulsantwortfunktionen. Mit diesem identifizierten instationären Modell für die turbulenzinduzierten Windlasten erfolgt eine Simulation des Tragverhaltens abgespannter Maste unter böigem Wind im Zeitbereich unter Berücksichtigung des nichtlinearen Last-Verformungsverhaltens des Tragwerks sowie aeroelastischer Effekte.

For guyed masts wind is the only relevant and periodically occurring dynamic load. In order to predict the fatigue damage reliably, a dynamic analysis of these structures is required. On the one hand, buffeting wind loads can be modelled in the frequency domain on basis of aerodynamic admittance functions of the cross section. Due to the memory effects of the flow, previous wind velocity fluctuations affect the actual wind load. Hence, the aerodynamic transfer is basically a function of the frequency. These memory effects are associated with the concept of unsteady wind loads. On the other hand, a quasi steady model in the time-domain is available which is able to take the structural and aerodynamic non-linearities into account. However, the quasi steady theory is restricted to fully correlated surface pressures in high winds only. In this thesis full-scale measurements on a 344 m high mast are presented. Based on measurements of wind velocities and directions up to a height of 341 m the commonly used descriptions for the longitudinal and lateral components of natural turbulence are verified in order to validate the engineer’s model of the wind field. Simultaneous measurements of wind velocities and wind forces on the partly covered mast shaft are used to identify the complex aerodynamic admittance functions from multi-input-single-output, linear time-invariant models. These admittance functions are fitted with rational functions in the frequency domain whose real- and imaginary parts are Hilbert-transformation pairs. Hence, a transformation of the admittance functions into the time domain leads to a causal transfer via impulse responses. Results of buffeting wind loads predicted by means of these impulse response functions are use in a time-domain simulation of guyed masts behaviour under buffeting wind loads, including the non-linearities due to the sagging cables and aeroelastic effects.

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Clobes, Mathias: Identifikation und Simulation instationärer Übertragung der Windturbulenz im Zeitbereich. 2008.

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